Согласно данным гидромеханики, устойчивое вращение жидкой среды в классических условиях не способно превышать скорости порядка 100–150 об/с без разрушения потока и потери устойчивости. Дальнейшее увеличение частоты приводит к кавитации, замыливанию потока, резкому росту сопротивления и механическим разрушениям.
Таким образом, попытки улучшить эффективность микрофильтрации исключительно за счёт повышения механических скоростей завихрителей приходят к физическому и технологическому пределу. Более того, сверхточная сепарация требует перегрузок, превышающих 10(4)–10(6) раз вес микрочастицы, недостижимых при текущих режимах.
Альтернатива: волновое возбуждение среды
Для преодоления указанных ограничений целесообразно применение принципиально иных методов возбуждения движений и перераспределения микрочастиц – в частности, волновых.
В их основе могут лежать разные физические механизмы:
– акустические колебания (ультразвук);
– вибрационные поля (электромеханическая модуляция гидропотока);
– электромагнитное/электрогидравлическое возбуждение кавитации;
– стоячие волны в ограниченных средах и объёмах жидкости.
Такие методы обеспечивают локальные колебания давления, смещения потока, явления резонанса и самофокусировки, создавая мгновенные имитации перегрузок на порядки выше гравитационных. При этом реального механического вращения или необходимости в массивных роторах не требуется.
На практике волновые методы успешно применяются для:
– коагуляции и агрегации микрочастиц;
– разрушения бактериальных стенок (ультразвучное стерилизующее действие);
– возбуждения кавитации и дегазации жидкостей;
– ускоренной фильтрации и декантации при стоячих акустических волнах.
Компактность, гибкость управления и экономичность делают волновые методы перспективными для медицинских, пищевых, химических и промышленных технологий обратного осмоса, мембранной фильтрации и очистки сточных вод.
Заключение
Проведённый теоретический и расчетный анализ показал, что возможности механической центробежной фильтрации микрочастиц в жидкой среде с учётом практических ограничений скорости вращения потока исчерпаны уже на уровне 100 оборотов в секунду, что даёт перегрузку порядка 14 g. Этого недостаточно для эффективной сепарации объектов размера порядка 1–5 микрон (бактерии, споры, белковые молекулы).